PRÁCTICA 4.2 PERFILES DE ACERO DE PEQUEÑO...

PRÁCTICA 4.2

PERFILES DE ACERO DE PEQUEÑO ESPESOR

MARÍA DEL PILAR SAÑUDO TINOCO MIGUEL ÁNGEL PIZARRO GUTIÉRREZ

ESTíBALIZ SIERRA ALEGRE

Máster Oficial de Estructuras de Edificación Curso 2016-2017

IN DICE MEMORIA:

• Descripción y planteamiento iniciales…………………………………………………………..…………………..…….….2

• Acciones consideradas……………………………………………………………………………………………….…………..…..3

• Combinaciones de acciones…………………………………………..…………………..………………………….……….….4

• Material y perfiles a utilizar. Propiedades geométricas y resistentes……….………………………………..4

• Creación del modelo de SAP………………………………………………………..………………….……….…………..…….9

• Análisis de esfuerzos y comprobaciones……………………………………………………………………………..….…11

• Uniones……………………………………………………………………………………………………………………………….…...20

• Incendio…………………………………………………………………………………………………………………………………...21

PLAN OS:

• P1 Estructura, planta, secciones y perspectiva……………………………………………………………………….…23

• P2 Estructura, detalles constructivos………………………………………………………………..………………………24

Miguel

Sellos

Miguel

Sellos

MASTER DE ESTRUCTURAS. PERFILES DE ACERO DE PEQUEÑO ESPESOR

Estíbaliz Sierra Alegre - Miguel Ángel Pizarro Gutiérrez – Mª del Pilar Sañudo Tinoco

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DESCRIPCIÓN Y PLANTEAMIENTO INICIALES

Se trata de una vivienda unifamiliar antigua, en la que se eliminarán todos los forjados antiguos

existentes, y se sustituirán por unos nuevos forjados realizados con perfiles de tipología Steel Framing

apoyados sobre unos nuevos paneles verticales, pegados por el interior a los muros existentes que si se

conservarán.

Lo que no se conservará será la antigua cubierta y se sustituirá también por una nueva realizada con esta

tipología estructural.

También se eliminarán los muros interiores antiguos y se sustituirán también por nuevos paneles verticales

que respetarán la distribución en planta original.



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ACCIONES A CONSIDERAR

ACCION (KN/m2) Característica Coef. Seguridad Cálculo

Peso propio estructura Steel Framing 0,08 1,35 0,11

Peso propio forjado húmedo, hormigón + chapa 1 1,35 2,02

Solados 1 1,35 1,35

Sobrecarga de uso en forjados de plantas 2 1,5 2,7

Peso propio cubierta tablero OSB + teja mixta 1 1,35 1,35

Nieve en cubierta 0,6 1,6 0,9

Viento en cubierta:

Sólo se tendrá en cuenta la acción de viento en la cubierta de la vivienda, ya que los muros de fábrica

existentes se llevan dicha acción y protegen a la nueva estructura de las paredes de Steel Framing.

La presión estática, qe puede expresarse como

qe = qb · ce · cp

Según el anejo D, la presión dinámica del viento

en zona A (Figura D.1) qb =0,42 KN/m2

El coeficiente de exposición ce según DB SE-AE

3.3.3 para Grado de aspereza III (Zona rural

accidentada) y altura media del edificio de 12 m,

es ce= 2,5.

Y teniendo en cuenta la tabla D.4 del CTE DB SE-

AE en la que se dan los coeficientes de presión

para cubiertas a dos aguas, para una inclinación

de 34º:

Zona H cp= -0,2 y zona I cp= -0,4

Por tanto los valores de succión de viento en nuestra cubierta serán:

Zona H qe = 0,42·2,5· -0,2= - 0,21 kN/m2

Zona I qe = 0,42·2,5· -0,4= - 0,42 kN/m2



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COMBINACIONES DE ACCIONES CONSIDERADAS

Según las tablas 4.1 y 4.2 de CTE DB-SE, los coeficientes parciales de seguridad y de combinación son:

ACCION Coeficientes de seguridad (γ) Coeficientes de combinación (ψ)

Carga permanente G 1,35 1

Sobrecarga SCU 1,5 0,7

Viento W 1,5 0,6

Nieve N 1,5 0,5

COMBINACIÓN 1: La 1ª combinación considerada es la de cargas gravitatorias en la que la acción

variable determinante es la sobrecarga de Uso:

G ·1,35 + SCU ·1,5 + 1,5· 0,5 ·N

COMBINACIÓN 2: En esta 2ª combinación tendremos en cuenta el efecto del viento en la

cubierta, por lo que dicho viento será la acción variable determinante:

G ·1,35 + W ·1,5 + 1,5 ·0,7 ·SCU

MATERIAL Y PERFILES A UTILIZAR. PROPIEDADES GEOMÉTRICAS

Tras consultar en la Web de Galvanálisis y Brausa, optamos por utilizar un acero galvanizado de

utilización común en España, de calidad S280 GD, cuyo límite elástico fy= 280 N/mm2.

Los perfiles que utilizaremos los hemos sacado del catálogo de “PERFILES BLANCO”



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A continuación utilizamos el programa AISIWIN v7.0 para hallar las propiedades geométricas de los

perfiles elegidos. Perfil C 100 x 50 x 1,5 en montantes verticales de muros:

Distancia a la que se arriostran los montantes NRd arriostrando a tercios



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Perfil C 200x50x2 en viguetas de forjados:

Con/sin arriostramiento Nº de vanos longitudes de vanos permitidas

e = poner rigidizador en los extremos

i = rigidizar solo en el apoyo interior

a = rigidizar en todos los apoyos

Separación entre viguetas



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Perfil canal U 100x40x1,5 en parte inferior y superior de muros verticales, cargaderos y albardillas de

ventanas, y en cordones de celosías de forjados:



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Perfil canal U 200x40x2 en perímetro de forjados:



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CREACIÓN DEL MODELO DE SAP

Hemos creado el siguiente modelo de barras en Autocad para exportarlo y realizar un análisis de

esfuerzos con el programa SAP 2000:

Como ya se ha mencionado, vamos a utilizar el perfil C 200x2 como vigueta de forjado así como en

los pares de cubierta. En todo el perímetro de cada forjado existe un perfil U 200x2.

En las zonas de forjado donde no hay tabiques interiores que sirven de apoyo a las anteriores

viguetas se disponen como se puede ver unas celosías formadas por el perfil U 100x1,5 en cordones

superior e inferior, y C 100x1,5 en montantes y diagonales.

Se puede observar también que disponemos elementos en celosías siempre en los cargaderos de los

huecos tanto de ventanas como de balcones.

Se introducen unas diagonales en los diferentes aleros de la cubierta con objeto de arriostrar frente a

viento, ya que es la única parte de la estructura en la consideraremos esta acción por estar el resto

protegida por los gruesos muros de fachada existentes.



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Con objeto de simplificar algo el modelo de SAP, no se incluyen los perfiles Omega de

arrostramiento frente a pandeo de los perfiles verticales. Estos perfiles Omega 50x40x1,5

evidentemente si se han tenido en cuenta antes, cuando hallábamos las propiedades resistentes.

Se ha introducido también en el modelo la planta de “altillo” bajo cubierta, y en la que se han metido

entre los montantes verticales unas diagonales para ayudar a arriostrar la cubierta.

En el modelo de SAP, se dejan de lado la contribución de los paneles OSB de la cubierta y el efecto de

arriostramiento que le confieren. También se deja de lado la contribución a la resistencia y al control

de la deformabilidad de la capa de compresión de hormigón de los forjados. Ambas consideraciones

están del lado de la seguridad.

El espesor de los muros de fachada existentes se va reduciendo a medida que vamos subiendo de

planta. Los nuevos muros verticales de Steel Framing tienen una mínima separación con respecto a

los antiguos, y al pasar de planta aprovechamos para apoyar el forjado en el durmiente que se

produce en el cambio de espesor del muro antiguo. Esto lo hemos querido representar en el

siguiente detalle, y lo modelizamos en SAP poniendo apoyos en dichos puntos:



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Finalmente este es el modelo que introducimos en SAP, e iremos analizando planta a planta:

ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y COMPROBACIONES

PLANTA BAJA:

El primer resultado que nos ofrece el análisis nos llama la atención que las celosías se deforman

bastante con una flecha de más de 33 mm en centro de vano, por lo que debemos aumentar su canto y

además las pondremos dobles (lo modelizamos en

SAP con Set modifiers multiplicando x 2).



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Tras calcular de nuevo con las celos ías dobles y un aumento de 40 a 50 cm de canto, vemos que la

deformación se ha reducido considerablemente a 17,48 mm, que es L/377.

La flecha en otras viguetas es de 4,69 mm

Diagrama de momentos flectores:

Max momento: 4,87 kNm

- 4,16 kNm

3,25 kNm



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Diagrama de esfuerzos cortantes:

Diagramas de esfuerzos normales:

5,51 kN 6,68 kN

Máximo axil -94,5 kN

85,8 kN

-56,1 kN

45,2 kN



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De los resultados podemos ver que el máximo

esfuerzo axil de compresión es de -94,5 KN y se

produce en el perfil vertical interior donde se

apoyan las cerchas. En este caso vamos a

poner un perfil C 100x1,5 doble, cuyo NRd lo

calculamos con AISWIN:

Otros perfiles verticales interiores están

menos solicitados y tienen un axil

solicitación NEd= 45,2 kN. Volvemos a utilizar

el AISWIN para hallar el NRd:

También se puede observar que los del perímetro apenas trabajan porque hemos dispuesto apoyos

sobre los muros de fachada existentes a los que va casi toda la carga de los forjados. Podría ser

razonable disminuir los perfiles C 100 x 1,5 de todo el perímetro a un perfil más pequeño.

A continuación se hace la comprobación de las viguetas C 200x2 del forjado:

DOBLE C 100x1,5 Wel= 18906 mm3 fyd= 280 N/mm2

Esfuerzos de cálculo: N-ed= 94,50 kN Med= 0,13 kNm

Esfuerzos resistidos: NRd= 99,63 kN MRd=Wel·fyd= 5,29 kNm

DOBLE C 100x1,5

<1 → 0,9 + 0,02 = 0,97 CUMPLEComprobación

compresión + flexión

C 100x1,5 Wel= 9453 mm3 fyd= 280 N/mm2

Esfuerzos de cálculo: N-ed= 45,20 kN Med= 0 kNm


C 100x1,5

< 1 → 0,94 + 0,00 = 0,94 CUMPLEComprobación


PERFIL C 200x2 Wel= 33393 mm3 fyd= 280 N/mm2



PERFIL C 200x2

<1 → 0,00 + 0,52 = 0,52 CUMPLEComprobación




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PLANTA 1ª:

Diagrama de Momentos:

Diagrama de Cortantes:

Diagrama de normales:

Máximo axil 75,5 kN


Máx cortante 7,9 kN



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Esta planta es similar a la baja pero las barras

verticales de los muros tienen 3,2 m de altura en

vez de 2,7 m.

Volveremos a poner doble perfil C 100x1,5 en los

pilares donde descansan las cerchas que son los

que tienen más esfuerzo normal:

Vemos que la vigueta más solicitada es la que delimita los huecos de los forjados, uno de los cuales

además sirve de apoyo para la escalera. Además sobre esta vigueta descansan los muros verticales de

los hastiales de la cubierta. Debido a lo comprometido de esta vigueta se decide meter un doble perfil

C 200 x 2 en todo el perímetro de los huecos.

Y las máximas deformaciones de esta planta 1ª son:


Esfuerzos de cálculo: N-ed= 75,50 kN Med= 0 kNm


DOBLE C 100x1,5



DOBLE C 200x2 Wel= 66786 mm3 fyd= 280 N/mm2


Esfuerzos resistidos: NRd= 134 kN MRd=Wel·fyd= 18,70 kNm

DOBLE C 200x2



- 12,8 mm → L/507

- 8,5 mm → L/411



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PLANTAS CUBIERTA Y “ALTILLO BAJO CUBIERTA”:

Nos llaman la atención estas deformaciones en la Combinación ELS de G·1,35 + SCU·1,5 + 1,5·0,5 ·N

Para reducirlas vamos a aprovechar

los hastiales que se forman en las

dos cubiertas laterales y la central, y

vamos a meter unas diagonales para

que estos hastiales trabajen como

cerchas.

Y en la cubierta central, vamos a

aprovechar la planta “altillo” como

cordón inferior de unas cerchas para

arriostrar y disminuir la luz de las correas

de cubierta.

- 24,1 mm

- 17,6 mm



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Tras estos cambios volvemos a calcular y observamos que se han reducido las deformaciones:

Diagramas de Momentos:

- 13,3 mm - 8,2 mm


3,2 kNm 3,26 kNm



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Diagrama de normales:

Vamos a comprobar estos pilares de esquina que son los más solicitados a esfuerzo normal y también

tienen un momento de 3,2 kN. Probamos primeros con doble C 100x1,5.

Como hemos visto que no cumple vamos a reforzar estos pilares añadiéndoles dos perfiles U 100x1,5

tal y como se muestra en este detalle:




DOBLE C 100x1,5

< 1 → 0,47 + 0,60 = 1,07 NO CUMPLEComprobación


DOBLE C 100x1,5 + 2 U 100x1,5 Wel= 38236 mm3 280 N/mm2



DOBLE C 100x1,5 + 2 U 100x1,5



Máximo axil : 46,36 kN

17,38 kN



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UNIONES

Para las uniones vamos a emplear tornillos rosca-chapa auto-roscantes de Ø= 5,5 mm, compuestos de

un acero de resistencia igual, al menos, al de las chapas que unen.

Vamos a estudiar por ejemplo la unión de la 1ª diagonal (que es la más comprometida) con el montante

y el cordón inferior de las cerchas de P 1ª, en la que ambos perfiles tienen un espesor de 1,5mm.

Las uniones trabajan todas a cortadura y su resistencia se ha calculado según EN 1993-1-3 Tabla 8.2

dependiendo del espesor de la chapa más delgada y del diámetro de nuestro tornillo Ø= 5,5:

La resistencia a aplastamiento es Fb,Rd =

(donde γM2= 1,25 y α = 3,2·√

= 3,2·√

=1,67 )

Luego Fb,Rd =

=

⁄

= 3970 N = 3,97 kN

El axil de cálculo en la diagonal es Nd= 20,8 kN, luego el nº de tornillos necesarios en la diagonal es:

nº tornillos = Nd/ Fb,Rd= 20,8/ 3,97 = 5,2 → 6 tornillos Ø= 5,5

El axil de cálculo en el montante es Nd= 13,8 kN, luego el nº de tornillos necesarios en la diagonal es:

nº tornillos = Nd/ Fb,Rd= 13,8/ 3,97 = 3,5 → 4 tornillos Ø= 5,5

Y teniendo en cuenta la figura 8.1 de EN 1993-1-3 en la

que se describen las separaciones mínimas a bordes y

entre tornillos, hacemos el siguiente detalle:



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INCENDIO

Según la tabla 3.1 de la Sección 6 del CTE DB SI “Resistencia al fuego suficiente de los elementos

estructurales”, en el caso de nuestra vivienda unifamiliar y con una altura de evacuación inferior de

15 m, se exige un tiempo mínimo de R 30.

El criterio conservador, es limitar la temperatura del perfil a los 350ºC. Este criterio aparece tanto en el

Eurocodigo 3-1-3, como en el CTE DB-SI:

“En elementos con secciones de pared delgada, (clase 4), la temperatura del acero en todas las

secciones transversales no debe superar los 350 ºC.”

Por tanto la resistencia al fuego requerida se consigue a través del revestimiento de todos nuestros

perfiles, para que todos ellos se queden a una temperatura inferior.

La resistencia al fuego mejorará si estos revestimientos están separados de los perfiles estructurales

mediante Omegas, que a su vez pueden ejercer una labor de arriostramiento si son del espesor

adecuado (como mínimo 1,5 mm):

Tanto la Steel Framing Alliance americana como la European Lightweight Steel Frame Construction a partir

de multitud de ensayos, han hecho unas publicaciones en las que se ven distintas configuraciones de

aislamientos y revestimientos con sus correspondientes valores de resistencia al fuego:

European Lightweight Steel Frame Construction Steel Framing Alliance



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También los diferentes fabricantes de revestimientos como “Pladur”, “Knauf FireBoard”, “Promat” o

“Placo” hacen multitud de ensayos, y homologan y publican las resistencias al fuego de sus diferentes

sistemas. Aquí están como ejemplo alguno de ellos que hemos consultado:

Fabricante “Placo”

abricante “Pladur”

Fabricante “Promat”

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